1、第二章 土的渗透性土颗粒土颗粒土中水土中水渗流渗流渗透渗透地下水在从水力坡降作用下穿过土体孔地下水在从水力坡降作用下穿过土体孔隙发生流动的现象的现象隙发生流动的现象的现象渗透性渗透性土体被水的性能称为土的渗透性土体被水的性能称为土的渗透性为什么土体具为什么土体具有渗透性？有渗透性？第一节第一节 基本概念基本概念 渗透性有强弱之分，无好坏之别。相邻两个水分子的运动轨迹相互平行而不混流相邻两个水分子的运动轨迹相互平行而不混流层流层流 渗流模型渗流模型假定：假定：1.1.不考虑渗流路径不考虑渗流路径的迂回曲折，只考的迂回曲折，只考虑主流方向；虑主流方向；2.2.不考虑土体中颗不考虑土体中颗粒的影响，
2、认为孔粒的影响，认为孔隙与颗粒所占的空隙与颗粒所占的空间均为渗流所填充。间均为渗流所填充。a)a)实际的渗流土体实际的渗流土体 渗流模型渗流模型 b)b)理想的渗流模型理想的渗流模型 （一）达西定律（一）达西定律满足条件：满足条件：1.1.同一过水截面，模同一过水截面，模型渗流流量等于真实型渗流流量等于真实渗流流量渗流流量；2.2.任意任意过水截面过水截面上模上模型渗流压力等于真实型渗流压力等于真实渗流压力；渗流压力；3.3.相同体积内模型渗相同体积内模型渗流所受到的阻力与真流所受到的阻力与真实渗流所受到的阻力实渗流所受到的阻力相等。相等。过水截面过水截面(过水界面）过水界面）水在饱和土体中渗
3、流时，在垂直于渗流方向取水在饱和土体中渗流时，在垂直于渗流方向取一个土体截面。一个土体截面。渗流模型渗流模型AtQv/tQq/Aqv/假定在时间假定在时间t t内渗流通过过水内渗流通过过水截面（面积为截面（面积为A A）的渗流量为）的渗流量为Q Q，渗透速度渗透速度表达式为：表达式为：单位时间内的渗流量为单位时间内的渗流量为(cm(cm3 3/s)/s)：渗透速度可表达为渗透速度可表达为 (cm/s)(cm/s)：nvvnAAAvvAqrrrr实际平均速度实际平均速度与假想平均流与假想平均流速的关系速的关系 渗透速度渗透速度wBBBuzh A A点总水头：点总水头：ABLhAhBzAwAu w
4、Bu zBh h基准面基准面水力梯度线水力梯度线wAAAuzh B B点总水头：点总水头：二点总水头差反映了两二点总水头差反映了两点间水流由于摩阻力造点间水流由于摩阻力造成的能量损失。成的能量损失。BAhhh 水力梯度（坡降）水力梯度（坡降）：单位渗透长度上的水头损失。：单位渗透长度上的水头损失。Lhi 水力梯度水力梯度 装置中装置中2 2是面积为是面积为A A的直立圆筒，的直立圆筒，其侧壁装有两支相距为其侧壁装有两支相距为L L 的测压管。的测压管。多孔滤板多孔滤板3 3下部放碎石，上部放颗粒下部放碎石，上部放颗粒均匀的砂土样。水由上端注入圆筒，均匀的砂土样。水由上端注入圆筒，多余的水从溢水
5、管多余的水从溢水管4 4溢出，使筒内的溢出，使筒内的水位维持恒定。渗透过砂层的水从出水位维持恒定。渗透过砂层的水从出水管水管5 5流入量杯流入量杯6 6中，并以此来计算渗中，并以此来计算渗流量流量Q Q。单位时间内的渗出水量单位时间内的渗出水量q q与与水力梯度和圆筒断面积成正比，水力梯度和圆筒断面积成正比，且与土的透水性质有关。且与土的透水性质有关。达西定律：达西定律：达西渗透试验装置示意图达西渗透试验装置示意图vk i结论：结论：kiAq 0 00 0反映土的渗透反映土的渗透性强弱的指标性强弱的指标称为称为渗透系数渗透系数（cm/scm/s）ha ab bh2h1Aqv/LhAq3 3 达
6、西定律达西定律砂土砂土密实黏土密实黏土起始水起始水力梯度力梯度 渗透速度与水力梯度的关系渗透速度与水力梯度的关系砾类土砾类土ikv达西定律适用于层流，不适用于紊流达西定律适用于层流，不适用于紊流（二）达西定律的适用范围（二）达西定律的适用范围 实际工程：借用达西定律，定量计算，定性分析第三节 渗透系数及其确定方法 一、渗透试验 1.常水头试验 试验为人工制备 A、L已知 试验中保持常水头 测出时间t内的 流量Q （cm/s)、（m/d）AtLhkkiAtqtQhtALQk2.变水头试验 粘性土，k很小，常规试验，时间很长 常规试样，L=5cm,A=30c,i=10 Q=50ml,k=10-6c
7、m/s时，需时167000s1.93天 昼夜温差不同，k就不同 大气蒸发会引起误差 任一时间t，水头差为h，经过dt时段，水位降落dh，dt时段的渗流量dQ=-adh 水力坡降i=h/L 达西定律：dQ=kiAdtkAhaLdhdt两边积分，从试验开始时（对应水头高）到试验结束时（对应水头高）试验时水力坡降一般为，所以总能测出，实际工程中为或更小，可能小于粘土起始水力坡降。2112ln)(hhttAaLk 二、影响渗透系数的因素 土粒大小与级配 粒径大，渗透系数大，级配好，渗透系数小2101dck 土的孔隙比 孔隙比大，渗透系数大 水的温度 水温高，动力粘滞系数h小，大 土中封闭气体含量 封闭
8、气体多，对渗流通道阻滞，渗透系数小hwseesck1322 各影响因素的关系：不在同一数量级上，粒径级配孔隙比水温 封闭气体 粘性土，大，小 砂土，小，大 不同温度测得的渗透系数，换算处的进行对比TwTTckh32020320hwckTwTTwkk202020hh三、成层土的渗透性 平行于土层方向各土层厚度为 渗透系数为 两端作用相同水力 坡降，.21qqqx.2211iHkiHkiHkx.)(22111HkHkkHx 垂直于土层方向 各土层流量相同 各土层过水面积相同 总水头损失等于 各土层水头损失之和.21qqqy.2211AikAikAiky.2211iHiHHi.12211iHiHHi
9、.221111kHkHHiikky 结论：平行于土层方向的渗透系数决定于最透水一层。垂直于土层方向的渗透系数决定于最不透水一层。土层水平沉积，土坝一层层填筑，每一层均有 统计综合渗透系数kx、ky时，不可分方向简单统计 应按理论分析确定 一般：kx810kyiyxikk第四节 渗流作用下土的有效应力 一、静水条件下 z深度处a截面 总重量 总应力 a点处孔隙水压力 a截面土粒接触点面积 很小，忽略不计AzzWwsathzAWwsatzhuw a截面上总水压力为：a截面上由固体土粒传递的力为：定义：单位土体面积上由固体土粒传递的力称为土的有效应力。kPaAhzUwAzzAAhzAzzUWWwsa
10、twwsat zAW 有效应力原理：土中总应力等于有效应力与孔隙水压力之和，称为有效应力原理。孔隙水压力各向相等，称为中性压力，只有有效应力影响土的性质 zzzhhzuwsatwwsatuu 二、渗流作用下土的有效应力 1.向下渗流 2-2剖面上：结论:向下渗流，土中 有效应力增加21hhsatwwhhhu21hhhhuwwwsat 22 2.向上渗流 2-2剖面上：结论:向上渗流，土中 有效应力减小21hhsatwwhhhu21hhhhuwwwsat 223.渗透力 发生渗透后，引起水头损失h，A、B两处由于渗透减少的水压力为 土体阻滞渗流使力 减小了U,即水对土体 作用力为U,该力作用 在
11、体积V=L*A 的土体 上，称为总渗透力ABLhAhBzAwAu wBu zBh h基准面基准面水力梯度线水力梯度线hAUwhAJw 带着体积无法对比，换算成单位体积上的力。定义：渗流作用于单位体积土体是的力称为渗透力。wwiALhAALJj3/mkNn 流土：流土：在在向上向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水力坡粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏。降达到一定的大小，都可发生流土破坏。黏性土黏性土k1k2砂性土砂性土k2坝体坝体渗流渗流crii F
12、 原因：原因：临界水力梯度临界水力梯度 第五节第五节 渗透变形渗透变形wcri坝体坝体n 管涌：管涌：是指在渗流作用下，土体中的细颗粒在粗颗粒形是指在渗流作用下，土体中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙道中发生移动并被带走的现象。成的孔隙道中发生移动并被带走的现象。渗流渗流过程演示过程演示1 1.在渗透水流作用下，在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失的孔隙中移动流失2.孔隙不断扩大，渗流孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走颗粒也相继被水带走3.形成贯穿的渗流通道，形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷造成土体塌陷管涌现象管涌现象坝体坝体坝
13、体坝体 流土的临界水力坡降 向上渗流：当有效应力减小到0时，发生流土 icr在0.81.2之间 允许水力坡降：实际的i大于i，即判别为会发生流土（安全储备不够）hhhhuwwwsat 2202 hhwcrwihh2eGicr11 5.22crii 管涌的临界水力坡降：实际工程中，管涌允许水力坡降根据规范确定342nkdicr 流土现象防治措施流土现象防治措施、减小或消除水头差；、减小或消除水头差；、增加渗流路径；、增加渗流路径；、在向上的流出口处地表用透水材料覆盖以平衡渗透力；、在向上的流出口处地表用透水材料覆盖以平衡渗透力；、土层加固处理，如冻结法、注浆法等、土层加固处理，如冻结法、注浆法等
14、。渗透变形的防治措施渗透变形的防治措施 管涌现象的防治管涌现象的防治黏性土（分散性土例外）属于非管涌土；无黏性土中发生管黏性土（分散性土例外）属于非管涌土；无黏性土中发生管涌必须具备相应的涌必须具备相应的几何条件几何条件和和水力条件水力条件 改善几何条件：设反滤层等改善几何条件：设反滤层等 改善水力条件：减小渗透坡降改善水力条件：减小渗透坡降 工程中的管涌治理：堵前导后 发生管涌，一定是已形成导水通道，千万不能堵出流口。出流口被堵可能会演变成流土。-出口处反滤，用潜水员找进水口，堵塞。坝体坝体n 管涌：管涌：是指在渗流作用下，土体中的细颗粒在粗颗粒形是指在渗流作用下，土体中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙道中发生移动并被带走的现象。成的孔隙道中发生移动并被带走的现象。渗流渗流过程演示过程演示1 1.在渗透水流作用下，在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失的孔隙中移动流失2.孔隙不断扩大，渗流孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走颗粒也相继被水带走3.形成贯穿的渗流通道，形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷造成土体塌陷管涌现象管涌现象坝体坝体坝体坝体
